中国信通院-5G承载网络架构和技术方案白皮书

目录 IMT-2020(5G)推进组于2013年2月由中国工业和信息化部、国家发展和改革委员会、科学技术部联合推动成立，组织架 构基于原IMT-Advanced推进组，成员包括中国主要的运营商、制造商、高校和研究机构。推进组是聚合中国产学研用力 量、推动中国第五代移动通信技术研究和开展国际交流与合作的主要平台。 引言 5G承载网络总体架构 5G承载转发面架构与技术方案 5G承载协同管控架构和关键技术 5G同步网架构和关键技术 我国5G承载产业发展趋势分析 总结和展望 主要贡献单位 P1 P2 P4 P21 P25 P29 P34 P35 I M T - 2 0 2 0 ( 5 G ) 推 进 组 5G承载网络架构和技术方案白皮书 I M T - 2 0 2 0 ( 5 G ) 推 进 组 5G承载网络架构和技术方案白皮书 2 1 I M T - 2 0 2 0 ( 5 G ) 推 进 组 5G承载网络架构和技术方案白皮书 引言 随着3GPP 5G非独立（NSA）和独立（SA） 组网标准的正式冻结，我国运营商同步启动规划 和设计5G试点和预商用方案，5G迈向商用的步 伐逐步加快。相对4G网络，5G在业务特性、接 入网、核心网等多个方面将发生显著变化，其中 在业务特性方面，增强型移动宽带（eMBB）、 超可靠低时延通信（uRLLC）、大规模机器类 通信（mMTC）等典型业务场景将分阶段逐步引 入；在无线接入网方面，将重塑网元功能、互联 接口及组网结构；在核心网方面将趋向采用云化 分布式部署架构，核心网信令网元将主要在省干 和大区中心机房部署，数据面网元根据不同业 务性能差异拟采用分层部署方案，随着物联网 （IOT）等垂直行业的业务发展，5G控制平面也 将呈现大区部署趋势。 5G新型特性变化为承载技术的新一轮快速 发展提供了契机。根据IMT-2020(5G)推进组5G承 载工作组2018年6月发布的5G承载需求分析 白皮书， 5G对承载网络主要带来三大性能需求 和六类组网功能需求，也即在关键性能方面， “更大带宽、超低时延和高精度同步”等性能指标 需求非常突出，在组网及功能方面，呈现出“多 层级承载网络、灵活化连接调度、层次化网络切 片、智能化协同管控、4G/5G混合承载以及低成 本高速组网”等六大组网需求，如何满足和实现 这些承载需求至关重要。 受业务特性、运营商承载网络技术架构选 择、未来演进策略等多种因素影响，面向移动通 信的承载网络在3G/4G时代就采用了两种差异化 承载方案。“5G商用，承载先行”，随着5G诸多新 特性的引入和5G试验及预商用计划的逐步推进， 面向5G的承载架构与多样化的技术方案更是成为 业界普遍关注的焦点。本白皮书基于5G承载需 求，结合运营商承载网络现状和主要特性等，归 纳总结了5G承载网络典型架构，并在此基础上深 度分析了转发面、协同管控、同步网的技术方案 与关键技术，提出了适合我国运营商的5G承载网 络总体架构及关键共性技术，分析研判了我国5G 承载产业整体发展态势，将为后续我国5G承载架 构及技术方案部署、国际国内标准推动、承载设 备研制及产业健康有序发展奠定基础。目前业界 应在求同存异的基础上，全面协同推动承载架构 与差异化技术方案的产业化进程，全力支撑和迎 接5G规模商用的到来。 I M T - 2 0 2 0 ( 5 G ) 推 进 组 5G承载网络架构和技术方案白皮书 2 5G承载网络总体架构 5G承载网络是为5G无线接入网和核心网提 供网络连接的基础网络，不仅为这些网络连接 提供灵活调度、组网保护和管理控制等功能， 还要提供带宽、时延、同步和可靠性等方面的 性能保障。 满足5G承载需求的5G承载网络总体架构见 图1，主要包括转发平面、协同管控、5G同步网 三个部分，在此架构下同时支持差异化的网络切 片服务能力。5G网络切片涉及到终端、无线、承 载和核心网，需要实现端到端协同管控。通过转 发平面的资源切片和管理控制平面的切片管控能 力，可为5G三大类业务应用、移动内容分发网络 （CDN）网络互联、政企客户专线以及家庭宽带 等业务提供所需服务等级协议（SLA）保障的差 异化网络切片服务能力。 图1 5G承载网络总体架构 （一）转发平面应具备分层组网架构和多业 务统一承载能力 转发平面是5G承载架构的关键组成，其典型 的功能特性包括： 端到端分层组网架构：5G承载组网架构包括 城域与省内干线两个层面，其中城域内组网包括 接入、汇聚和核心三层架构。接入层通常为环形 组网，汇聚和核心层根据光纤资源情况，可分为 环形组网与双上联组网两种类型。 差异化网络切片服务：在一张承载网络中通 3 I M T - 2 0 2 0 ( 5 G ) 推 进 组 5G承载网络架构和技术方案白皮书 过网络资源的软、硬管道隔离技术，为不同服务 质量需求的客户业务提供所需网络资源的连接服 务和性能保障，为5G三大类业务应用、政企专线 等业务提供差异化的网络切片服务能力。 多业务统一承载能力：5G承载可以基于新 技术方案进行建设，也可以基于4G承载网进行 升级演进。除了承载4G/5G无线业务之外，政企 专线业务、家庭宽带的OLT回传、移动CDN以及 边缘数据中心之间互联等，也可统一承载，兼具 L0L3技术方案优势，充分发挥基础承载网络的 价值。 （二）管理控制平面需支持统一管理、协同 控制和智能运维能力 5G承载的管理控制平面应具备面向SDN架 构的管理控制能力，提供业务和网络资源的灵活 配置能力，并具备自动化和智能化的网络运维能 力。具体功能特性包括： 统一管理能力：采用统一的多层多域管理信 息模型，实现不同域的多层网络统一管理。 协同控制能力：基于Restful的统一北向接口 实现多层多域的协同控制，实现业务自动化和切 片管控的协同服务能力。 智能运维能力：提供业务和网络的监测分析 能力，如流量测量、时延测量、告警分析等，实 现网络智能化运维。 （三）5G同步网应满足基本业务和协同业务 同步需求 同步网作为5G承载网络的关键构成，其典 型的功能特性包括： 支撑基本业务同步需求：在城域核心节点 （优选与省内骨干交汇节点）部署高精度时钟 源（PRTC/ePRTC），承载网络具备基于IEEE 1588v2的高精度时间同步传送能力，实现端到端 ±1.5us时间同步，满足5G基本业务同步需求。 满足协同业务高精度同步需求：对于具有高 精度时间同步需求的协同业务场景，考虑在局部 区域下沉部署小型化增强型BITS设备，通过跳 数控制满足5G协同业务百ns量级的高精度同步需 求。 按需实现高精度同步组网：对于新建的5G 承载网络，可按照端到端300ns量级目标进行高 精度时间同步地面组网。一方面，提升时间源头 设备精度，并遵循扁平化思路，将时间源头下 沉，实现端到端性能控制；另一方面，提升承载 设备的同步传送能力，采用能有效减少时间误差 的链路或接口技术。 I M T - 2 0 2 0 ( 5 G ) 推 进 组 5G承载网络架构和技术方案白皮书 4 5G承载转发面架构与技术方案 3.1 5G承载转发面架构 5G承载网络分为省干和城域两大部分，城域 接入层主要为前传Fx接口的CPRI/eCPRI信号、中 传F1接口以及回传的N2（信令）和N3（数据） 接口提供网络连接；城域的汇聚核心层和省干层 面不仅要为回传提供网络连接，还需要为部分 核心网元之间的N4、N6以及N9接口提供网络连 接，见图2。其中N6是UPF与数据网络（DN）之 间的接口，将涉及通过IP公网访问外部的多媒体 数据中心。5G无线接入网（RAN）在建设初期主 要采用gNB宏站以及CU和DU合设模式；在5G规 模建设阶段，将采用CU和DU分离模式，并实施 CU云化和CRAN大集中建设模式。 图2 5G对承载网络的连接需求和网络分层关系 5 I M T - 2 0 2 0 ( 5 G ) 推 进 组 5G承载网络架构和技术方案白皮书 5G承载网络涉及的无线接入网和部分核心网 的参考点及其连接需求如下： 表1 5G无线接入网的参考点和连接需求 表2 5G核心网与承载相关的部分参考点和连接需求 I M T - 2 0 2 0 ( 5 G ) 推 进 组 5G承载网络架构和技术方案白皮书 6 为5G网络提供灵活连接的承载网络转发面组 网架构见图3，以实现多层级承载网络、灵活化 连接调度、层次化网络切片、4G/5G混合承载以 及低成本高速组网等关键功能特性。 图3 5G承载网络转发面组网架构 5G承载网络的网络分层、客户接口和线 路接口分析见表 3。 表3 5G承载网络分层组网架构和接口分析 7 I M T - 2 0 2 0 ( 5 G ) 推 进 组 5G承载网络架构和技术方案白皮书 3.2 5G前传技术方案 3.2.1 5G前传典型场景 5G前传主要有DRAN和CRAN两种场景，其 中CRAN又可细分为CRAN小集中和CRAN大集中 两种部署模式，CRAN大集中一般需要CU云化和 DU池化集中部署来支撑实现，见图4。 图4 5G前传部署场景 DRAN 场景相对简单，AAU和DU一般分别 部署在塔上和塔下；CRAN 场景对应的拉远距离 通常在10 km 以内。考虑成本和维护便利性等因 素，5G前传将以光纤直连为主，局部光纤资源不 足的地区，可通过设备承载方案作为补充。 I M T - 2 0 2 0 ( 5 G ) 推 进 组 5G承载网络架构和技术方案白皮书 8 3.2.2 5G前传技术方案 5G前传技术方案包括光纤直连、无源 W D M 、 有 源 W D M / O T N 、 切 片 分 组 网 络 （SPN）等，具体工作机制见图5。考虑到基站 密度的增加和潜在的多频点组网方案，光纤直驱 需要消耗大量光纤，某些光纤资源紧张的地区难 以满足光纤需求，需要设备承载方案作为补充。 5G前传目前可选的技术方案各具优缺点，具体 部署需根据运营商网络需求和未来规划等选择合 适的承载方案。 图5 5G前传典型方案 5G前传技术方案的关键特性比较见表4。 表4 5G前传典型方案比较 9 I M T - 2 0 2 0 ( 5 G ) 推 进 组 5G承载网络架构和技术方案白皮书 3.3 5G中回传技术方案 3.3.1 5G中回传承载需求 5G中回传承载网络方案的核心功能要满足多 层级承载网络、灵活化连接调度、层次化网络切 片、4G/5G混合承载以及低成本高速组网等承载 需求，支持L0L3层的综合传送能力，可通过L0 层波长、L1层TDM通道、L2和L3层分组隧道来 实现层次化网络切片： 1）L2/L3层分组转发层技术：为5G提供灵活 连接调度和统计复用功能，主要通过L2和L3的分 组转发技术来实现，主要包括以太网、面向传送 的多协议标签交换（MPLS-TP）和新兴的段路由 （SR）等技术。 2）L1层TDM通道层技术：TDM通道技术不 仅可以为5G三大类业务应用（eMBB、uRLLC和 mMTC）提供支持硬管道隔离、OAM、保护和低 时延的网络切片服务，并且为高品质的政企和金 融等专线提供高安全和低时延服务能力。 3）L0层光层大带宽技术：5G和专线等大带 宽业务需要5G承载网络具备L0的单通路高速光接 口和多波长的光层传输、组网和调度能力。 为更好适应5G和专线等业务综合承载需求， 我国运营商提出了多种5G承载技术方案，主要 包括切片分组网络（SPN）、面向移动承载优化 的OTN（M-OTN）、IP RAN增强+光层三种技 术方案，其技术融合发展趋势和共性技术占比 越来越高，在L2和L3层均需支持以太网、MPLS （-TP）等技术，在L0层均需要低成本高速灰 光接口、WDM彩光接口和光波长组网调度等能 力，差异主要体现在L1层是基于OIF的灵活以太 网（FlexE）技术、IEEE802.3的以太网物理层还 是ITU-T G.709规范的OTN技术，L1层TDM通道 是基于切片以太网还是基于OTN的ODUflex，具 体技术方案比较见表 5，更详细的技术分析